基于模块化设计的SVC控制系统的实现

朱振飞， 徐乐， 刘育鑫(南瑞集团公司，江苏 南京 211000)

基于模块化设计的SVC控制系统的实现

朱振飞， 徐乐， 刘育鑫
(南瑞集团公司，江苏 南京 211000)

介绍了一种基于模块化设计的SVC控制系统，利用模块化设计思想，将SVC控制系统分为管理功能模块、控制算法模块、锁相环模块和脉冲控制模块，综合优化数据处理和计算环节，使控制效果达到最优；FPGA与DSP配合实现锁相，锁相速度快，具有良好的动态特性和静态特性；提高控制系统对快速动态负荷的相应能力，并提高触发控制精度；根据控制要求修改控制模块、脉冲控制模块后，也可用于其他电力电子设备的控制。

SVC；模块化设计；锁相环；现场可编程门阵列；脉冲控制

0 引 言

随着国民经济的发展和现代化技术的进步，电力网负荷急剧增大，对电网感性无功要求也与日俱增。特别是可逆式大型轧钢机、炼钢电弧炉等冲击负荷、非线性负荷容量的不断增加，加上普遍应用的电力电子和微电技术，由此产生了功率因数低、电压波动和波形畸变以及三相电压和电流不平衡等诸多电能质量问题[1]。

早期的无功补偿装置如同步调相机、饱和电抗器等都存在着响应速度慢，维护困难以及损耗和噪音大等缺点。而静止型无功补偿器(SVC)与以往的无功补偿器比较，有着调节速度快的优点，因此广泛应用于无功功率的补偿[2]。

多数的SVC是用来实现无功补偿来提高系统的功率因数或者稳定电网电压，其多为单一的电压、无功控制方法，其控制性能和精度也难以达到要求，并且不能兼顾不平衡的补偿。此外，在SVC控制系统锁相方式上，传统的锁相方式有依靠硬件的模拟锁相环[3]、以及依靠软件计算的αβ坐标开环锁相环[4]、傅里叶分解锁相环，这些锁相方式均存在锁相速度慢或对畸变电压敏感等缺点，在电压不平衡条件下为了抑制负序电压的影响，dq锁相环一般以100 Hz分量衰减系数为PI控制器设计指标，因此也存在着响应速度慢的缺点[5]。

基于利用模块化设计思想，将SVC控制系统按功能进行模块划分，优化系统整体性能。FPGA与DSP配合实现锁相，锁相速度快，具有良好的动态特性和静态特性。通过动态模拟试验，验证了基于模块化设计的SVC控制系统调节的准确性，对于负载的快速变化和不对称负载均具有良好的动态响应特性。

1 硬件平台设计

目前大部分控制设备厂家的控制装置结构都是以DSP作为逻辑运算单元，并采用FPGA实现信号采集、脉冲触发、通信处理等功能[6]。

图1是基于模块化设计的SVC控制系统硬件平台结构示意图，控制系统硬件平台选用目前业界可靠性、功能和处理能力最有优势的嵌入式CPU、DSP和大容量的FPGA进行设计，同时采用符合工业标准的高速以太网和IEC标准的数据采集的光纤通道作为数据传输链路，内部采用高可靠、高实时、高效率的数据交换接口。

图1 基于模块化设计的SVC控制系统硬件平台

2 功能模块设计

利用模块化设计思想，将SVC控制系统分为管理功能模块、控制算法模块、锁相环模块和脉冲控制模块，模块结构如图2所示。

图2 SVC控制系统模块结构示意图

2.1 管理功能模块

管理功能模块负责电压电流等信号量的采集功能、SVC系统的顺序控制功能、以及人机交互功能。管理功能模块将采集的电压、电流信号进行标幺化处理，送至控制算法模块、和锁相环模块。标幺化处理的好处就是，整个控制系统在整个控制调节、等效电纳计算的过程中，采用的都是标幺值，软件程序具有良好的通用性，针对不同的SVC工程，只需要配置当前工程的系统电压、各电容器组容量、TCR容量即可。顺序控制功能是指在SVC系统启动过程中，控制系统自动按顺序投入电容器组开关、SVC系统总开关；在SVC系统停运过程中，自动按顺序切掉电容器组开关、SVC系统总开关，不需要人工操作，并具有可靠的逻辑闭锁功能，防止错误遥控开关。

2.2 锁相环模块

锁相环模块的主要功能是实时获得电压信号相位、频率信息，为控制算法模块提供计算基准,锁相环的实现是基于FPGA和DSP共同完成的。锁相环控制原理如图3。首先DSP将电压信号由abc坐标系转化到αβ坐标系。θ为电压向量u与α轴的夹角。

(1)

为滤除负序分量，进行dq坐标转换前，需要进行相序分解。二倍频陷波器可实现相序分离，但其滤波器设计较为复杂，不利于工程实现，同时受频率波动的影响较大，因此本系统中采用了延时相序分解法，处理简单，利于工程实现。

(2)

上标“+”表示正序分量，“-”表示负序分量。根据公式(2)所得结果，将正、负序分量带入正、负序同步旋转坐标系，进行dq坐标系转换:

(3)

(4)

FPGA设计原则为：一个标准工频周期的值20 ms, 对应着FPGA的计数值为50 000, 即FPGA的计数时钟周期为400 ns，计数频率为2.5 MHz。

此外，锁相环模块还应计算出各相在锁相环同步旋转坐标系下的角度。

(5)

(6)

图3 锁相环控制原理图

2.3 控制算法模块

控制算法模块具备常规的电压控制方式、无功开环控制方式、无功闭环控制方式，并且配置了TCR直流控制、三相有功负荷平衡控制等，以适应不同用户的要求。

2.3.1 TCR直流控制

TCR电流中的直流分量会造成二次谐波电压畸变，为使二次谐波电压的畸变减至最小，SVC控制系统设计了TCR直流控制功能。直流控制的功能是在二次谐波电压畸变较大时，监视和控制TCR电抗器支路中的直流电流大小。

其原理是通过检测TCR电流中的直流分量，调节触发角使得可控硅正方向和负方向的导通时间不相同，将直流电流分量减小到零。直流控制设计应具有较大的时间常数，以避免与TCR电压调节器的快速动态控制相冲突。TCR直流控制原理如图4。

图4 TCR直流控制原理图

2.3.2 有功负荷平衡控制

负荷的三相不对称将使供电系统中出现对交流电动机的运行十分不利的负序分量,它增大了交流电动机的功率损耗并加剧了其运行时的振动和噪音[7]。

将三相负载，转化为线负载，则在TCR上对应的补偿电纳应为：

(7)

Gab、Gbc、Gca为线负载等效电导。将补偿电纳与电压/无功控制环节计算出的电纳相加之和，就是三相有功负荷平衡的等效电纳。

2.3.3 触发角计算

控制算法模块按当前控制方式，根据当前系统运行工况，计算出TCR各相的等效电纳，并将等效电纳换算为触发角，送至脉冲控制模块。

等效电纳与晶闸管触发角的关系如公式(8)：

(8)

其中X为与晶闸管串联的电抗值，α为TCR的触发角。

常规的查表法的缺点是控制精度低。本系统采用的触发角计算方法为：采用的通过最小二乘法，根据公式(8)进行曲线拟合，多项式最高次数为10次，确定(α,B)的最小二乘曲线拟合公式。在系统实际控制过程中，可得到较精确的触发角，精确度可达到0.01度。

2.4 脉冲控制模块

脉冲控制模块根据控制算法模块提供的脉冲触发角进行脉冲发生定时设置、脉宽及脉冲回收控制。

3 动态模拟实验及结果分析

利用动态模拟试验室，实现对SVC控制保护系统及其控制策略以及性能全面的研究和验证。

SVC动模系统由四组滤波器、TCR以及可分相投切的无功负载组成，TCR采用三角形接线方式。在额定电压1 000 V条件下，四组滤波器无功容量均为7.5 kVar，TCR容量为52 kVar，可投切负载为7.5 kVar。图5为SVC动模系统接线图。

图5 动模系统接线图

SVC控制系统具有录波功能，能手动或根据录波触发条件自动录波，产生标准格式的comtrade文件。通过录波分析软件，可以看到电流电压、锁相环、触发脉冲等系统工况。图6为锁相环波形图，同步电压为Uab。

图6 锁相环波形图

通过快速开关控制负载的投入、切除，以及分相投入、切除负载的方法来模拟现场负载的快速变化和不对称负载，从而测试SVC控制系统的调节控制性能。表1～表3 为已投入5次、7次两组电容器、在不同控制模式下，SVC控制系统动态特性。

响应时间是指从控制器采样、计算、送出计算的控制角度，并调节到目标范围的10%所用的时间；调整时间是指调节到目标范围的90%所用的时间。

上述动模试验结果验证了基于模块化设计的SVC控制系统控制策略的正确性，对于负载的快速变化和不对称负载均具有良好的动态响应特性，响应时间小于7 ms。

表1 无功开环模式下，投切三相无功负载

表2 电压闭环控制模式下，投切三相无功负载

表3 无功综合控制模式下，投切无功负载A相

4 结束语

利用模块化设计思想，将SVC控制系统，综合优化数据处理和计算环节，使控制效果达到最优；FPGA与DSP配合实现锁相，锁相速度快，具有良好的动态特性和静态特性；提高控制系统对快速动态负荷的响应能力，并提高触发控制精度；根据控制要求修改控制模块、脉冲控制模块后，也可用于其他电力电子设备的控制。通过SVC动模试验验证了基于模块化设计的SVC控制系统控制策略的正确性，并对于负载的快速变化和不对称负载均具有良好的动态响应特性，具有很好的应用前景。

[1] 林海雪．现代电能质量的基本问题[J]．电网技术，2001，25(10):5-12．

[2] 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功补偿[M]．北京:机械工业出版社，1998．

[3] 韩民晓，尤勇，刘昊.线电压补偿型动态电压调节器(DVR)的原理与实现[J].中国电机工程学报，2003， 23(12):49-53.

[4] 王海军,陈潜.云广直流工程锁相环功能分析及仿真研究[J].南方电网技术，2009，3(4):60-63.

[5] 丁菊霞，张华俊，张秀峰. 基于平均值理论的无锁相环三相电路谐波电流检测方法[J]. 电测与仪表，2010，47(5):43-47.

[6] 张吉，宋斌，唐成虹. 保护测控装置嵌入式采样新平台的研制[J]. 电力系统自动化，2011，35(2):89-92.

[7] 李运彬，姚舜.基于无功补偿的三相负荷均荷控制[J].计算技术与自动化，2009，25(3):32-34.

Realization of an SVC Control System Based on Modular Design

ZHU Zhen-fei, XU Le, LIU Yu-xin
(NARI Group Corporation, Nanjing Jiangsu 211000, China)

This paper introduces a SVC control system based on modular design, which, by using modular design concept, divides the SVC control system into management function module, control algorithm module, phase lock loop module and pulse control module, and optimizes data processing and computational links so as to achieve optimal control effect. FPGA and DSP are used to implement quick phase lock with excellent dynamic and static characteristics. Control system’s response to quick dynamic load is improved, and accuracy of triggering control is raised. The system can also be used to control other power and electronic devices, after the control module and pulse control module are modified according to new control requirements.

SVC; modular design; phase lock loop; FPGA ;pulse control

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.022

TM76

A

1000-3886(2015)05-0070-03

朱振飞(1958-)，男，江苏南京人，高级工程师，主要从事电力系统动态模拟仿真、电力电子技术在电力系统中应用研究。 徐乐(1988-)，男，江苏泰州人，工程师，主要从事电力系统自动化设备开发与管理。 刘育鑫(1982-)，男，黑龙江东宁县人，工程师，主要从事FACTS技术研究及其控制保护系统的研发。

定稿日期: 2014-12-01